CN100475412C - 圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统以加工方法，它涉及一种用于辊类表面毛化的激光加工设备及加工方法，特别涉及一种具有能加工无规则毛化点的辊类表面毛化的激光加工设备及加工方法。它包括机床设备、激光加工装置、以及伪随机延时装置，伪随机延时装置使激光加工装置的激光输出信号产生随机的延时输出。其方法在于每次向辊类工件表面发射的激光输出信号在规定的时间范围内产生随机的延时。本发明与现有技术设备相比具有以下优点：激光毛化板具有更好的各向同性；激光毛化板具有更好的外观质量。它可以改善已有的激光毛化加工设备中，由于毛化点分布都有一定的规则，导致的毛化板的各向同性和外观质量等方面的不足。

Description

圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于辊类表面毛化的激光加工设备及加工方法，特别涉及一种具有能加工无规则毛化点的辊类表面毛化的激光加工设备及加工方法。

背景技术

YAG激光毛化设备是中国科学院力学研究所在九十年代研究开发的冷轧辊激光加工设备，如：中国专利号：ZL 92113223.9，名称：“高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统及加工方法”；中国专利号：ZL94220848.X，名称：“用于轧辊表面毛化的激光加工设备”。图1是该设备的总体结构示意图。该设备采用高重复频率的大功率激光脉冲作用于轧辊表面，在辊面上产生无数一定形貌的强化微坑(毛化点)。该设备类似于普通车床。其工作过程是机床主轴电机驱动轧辊旋转，同时驱动移动架上的激光头平移，声光电源控制激光器发出固定频率的激光脉冲，从而在轧辊上打出一条等螺距的由毛化点构成的螺旋线。图4是利用这一方法打的冷轧辊表面的毛化点形貌图(左右代表轴向，上下代表圆周向，下同)，称之为不可控分布毛化点形貌图，相应地称图1为不可控分布激光毛化设备总体结构示意图。由图中可看出，每一圈上的毛化点间距基本相等。这是由于激光脉冲频率固定，主轴转速基本恒定。由于控制激光器的声光电源的控制与主轴旋转的控制是相互独立的，没有实现同步控制，而主轴转速稳速精度有限，导致毛化点点距的误差。在整条螺旋线上这一误差是累加的，所以各圈之间的毛化点的分布没有规律，但有一定的规则，呈波浪形分布。

又如：中国专利号：ZL 00128273.5，名称：“具有可控分布毛化点的辊类表面毛化激光加工系统”；中国专利号：ZL 00264774.5，名称：“用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置”。图2是该设备的总体结构示意图。图5、图6是利用这一方法打的冷轧辊表面的毛化点形貌图，该设备通过在主轴同轴方向装一高精度高分辨率的增量编码器，并用一台工控机控制声光电源和移动架实现辊面毛化点的可控分布。

实验表明，毛化点的分布对毛化板的性能影响很大。具有不可控分布毛化点的毛化板，它的各个部位及其各个方向的性能有较大差异，也即毛化板的各向同性不好；具有可控分布毛化点的毛化板，与不可控分布毛化点的毛化板相比，解决了毛化板的毛化点分布的均匀度问题，在各对应的同一单位面积内毛化点的分布相同，其各向同性有较大改善。它的各对应部位的同方向的性能是一致的，但各对应部位的不同方向的性能仍有较大差异，各不对应部位及其各个方向的性能差异较大。

以上两种毛化板的毛化点分布都有一定的规则，使毛化板各个方向的外观不一致，有方向性，而实际中往往需要外观无方向性的激光毛化板。但是现有的设备和加工方法还不能在辊类表面加工无规则分布的毛化点。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法，它可以改善上述已有的激光毛化加工设备和方法中，由于毛化点分布都有一定的规则，导致的毛化板的各向同性和外观质量等方面的不足；从而提供一种生产具有更好的各向同性的激光毛化板表面的加工系统和方法。

本发明的圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统，它包括带动辊类工件旋转的机床设备、沿着辊类工件轴向移动的激光加工装置、以及伪随机延时装置，伪随机延时装置内含提供完整的PC全部功能的单板机、延时接口卡，所述的延时接口卡由输入接口、定时器和输出接口组成，单板机通过PC/104总线与定时器相连接，单板机连接有RS232C接口；输入接口用于输入信号的电平转换，定时器用于产生延时，其延时值由单板机设定，输出接口用于输出信号的转换和驱动。

进一步地，本发明的圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统还可以具有如下的特点：所述的激光加工装置包括工控机、可控分布接口卡、声光电源、声光盒，所述的伪随机延时装置的输入信号接口与或控分布接口卡相插接，伪随机延时装置的输出信号接口与声光电源相连接的信号输入端相接，RS232C接口与工控机相接。

所述的伪随机延时装置的输出和输入信号均为脉冲信号，输出信号由输入信号的上升沿触发，经延时后输出。

输出信号的延时时间在某一时间范围内按伪随机信号变化。

本发明的圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工方法，它是使辊类工件沿自身的轴线旋转，使激光束沿辊类工件的轴向匀速运动，并定时向辊类工件的表面发射激光输出信号，在辊类工件的表面形成毛化点，每次向辊类工件表面发射的激光输出信号在规定的时间范围内产生随机的延时，从面使毛化点在辊类工件表面的圆周方向形成无规则分布。

本发明在现有辊类表面毛化激光加工设备--不可控分布激光毛化设备和可控分布激光毛化设备中增加一维控制量按伪随机信号变化的装置，使毛化点呈一维无规则分布。

本发明与现有技术设备和加工方法相比具有以下优点：

1、本发明生产的激光毛化板表面具有更好的各向同性；

2、本发明生产的激光毛化板表面具有更好的外观质量。

附图说明

图1是不可控分布YAG激光毛化设备总体结构示意图；

图2是可控分布YAG激光毛化设备总体结构示意图；

图3是本发明实施例1所述的增量编码器与主轴联接示意图；

图4不可控分布毛化点形貌图。

图5是矩形分布毛化点形貌图。

图6是菱形分布毛化点形貌图。

图7是伪随机延时装置结构示意图。

图8是伪随机延时装置程序流程图。

图9是矩形无规则分布毛化点示意图。

图10是菱形无规则分布毛化点示意图。

图11是可控无规则分布YAG激光毛化设备控制部分方框图；

图12是机床移动架上层光路示意图。

图面标号说明：1-待加工辊；2-光路防护罩；3-气路；4-激光器；5-机床床头；6-监视器；7，22-机床导轨；8-机床移动架；9-激光头；10-光杠；11-机床床尾；14-二维移动架；15-声光电源；16-顶尖座；17-纵向伺服电机；18-滚珠丝杠；19-激光电源；20-控制柜；21-工控机；23-增量编码器；24-弹性片联轴节；25-增量编码器安装套；26-机床主轴变速箱；27-机床主轴套；28-机床主轴；29-横向移动调节机构；30-聚焦透镜；31-扩束镜；32-反射镜A；33-反射镜B；34-反射镜C；35-反射镜D；36-摄像装置；37-同轴照明灯；38-光路切换装置；39-B路激光器；40-B路声光盒；41-A路激光器；42-A路声光盒；43，44，45-光路防护套；49-振镜总成。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的说明：

为了实现激光毛化无规则分布，本实施例提出的方案是如图2、图3、图7、图11所示。辊类表面无规则毛化点的毛化加工采用伪随机延时装置和伪随机偏转装置实现。也即在可控分布激光毛化设备中增加控制量按伪随机信号变化的装置，使毛化点呈无规则分布。故该设备也称为可控无规则分布毛化点的辊类表面毛化激光加工系统。

本实施例的总体结构示意图同图2所示相同，设备由机床床头，机床床身和控制柜三部分组成，具有与机床主轴转速无级可调的两维数控车床相似的结构形式。机床床头5包括变频器(型号为iHF-7.5K)、机床主轴驱动变频电机(型号为YVP-132M)、机床主轴变速箱26(减速比为7.5)、机床主轴28及机床主轴套27、高精度高分辨率的增量编码器23(型号为ZPJ-500A-25000，每转等分10万线)及增量编码器安装套25、卡盘和滑润系统等。变频器安装在机床床头5的底部，它与主轴驱动变频电机电连接；主轴变频电机经机床主轴变速箱与机床主轴相连；机床主轴一侧固定卡盘，卡盘用于装卡辊；另一侧固定主轴套27，主轴套27(带轴头)与机床主轴28用螺纹连接，主轴套27经弹性片联轴节24与增量编码器23轴相连(保证增量编码器装在机床主轴28同轴方向)；增量编码器23端面固定增量编码器安装套25并经安装套与机床主轴变速箱26相连。润滑系统包括润滑泵、油箱及油管等，润滑系统用于润滑机床主轴变速箱。工控机21内的D/A接口卡给变频器发信号，变频器驱动机床主轴电机连同辊旋转，且转速无级可调。主轴电机连同辊旋转时增量编码器输出反映辊旋转位置的脉冲信号，脉冲信号传给工控机21内的可控分布接口卡，经计算机处理后控制伪随机延时装置和纵向伺服驱动器。伪随机延时装置控制激光电源19。纵向伺服驱动器驱动纵向伺服电机17，经滚珠丝杠18带动机床移动架14在机床导轨22上左右移动。

床身包括机床导轨22、机床二维移动架14、纵向伺服电机17、滚珠丝杠18和顶尖座16等。所述的伺服电机17(使用型号为MDMA152A1A)与滚珠丝杠18直联，伺服电机17驱动滚珠丝杠18通过丝母带动移动架14与导轨滑动配合，并在导轨22上左右移动，且速度无级可调。移动架14分上下两部分，下半部分装有一路或两路声光电源15及激光电源19，上半部分装有A路激光器及A路声光盒、B路激光器及B路声光盒、光路切换装置、振镜总成、激光扩束镜、光束反射镜、摄像装置、同轴照明灯、横向移动调节机构、激光头和光路防护套。

图12是机床移动架上层光路示意图。光路切换装置由低速同步电机、丝杠、导轨、滑座及滑座上的全反镜构成，低速同步电机与丝杠直连，丝杠、导轨和滑座构成一传动副。光路切换装置的作用是转折光路，使B路激光器发出的激光光束进入振镜总成，然后进入激光扩束镜。激光扩束镜包括发散镜和聚焦镜，由多片镜子组成，它除了具有与一般的YAG激光加工设备中的扩束镜相同的对激光束扩束准直作用外，还能消除光学像差，减少激光束的弥散性。光束反射镜是光束分色镜，光束分色镜的作用是对1.06μm的YAG激光进行全反射转折而对波长0.4～0.8μm的可见光进行一半反射一半透射或按比例分光。光束反射镜是全反射镜，全反射镜用于转折光束的传输方向。光束反射镜是光束分色镜，光束分色镜的作用是对波长0.4～0.8μm的可见光进行一半反射一半透射或按比例分光。同轴照明灯37发出的光束是平行光束，不要准直，其作用是给CCD成像提供辅助光源。横向移动调节机构由横向伺服电机(型号为MSMA042A1A)、滚珠丝杠、导轨及滑座组成，滚珠丝杠、导轨和滑座构成一传动副，它与装在滑座上的位移传感器、横向伺服驱动器及位置PID调节器构成间距自动跟踪器，跟踪间距可由工控机内的D/A接口卡设定。聚焦透镜包括激光聚焦镜、保护镜、辅助气体喷射装置，保护镜安装在聚焦镜之前，它的作用是隔断激光聚焦镜与激光在辊面上的作用点的通道，使激光聚焦镜免受污染。辅助气体喷射装置是一种双气路结构。在激光毛化过程中，轧辊表面的金属在激光的作用下产生溶化与部分汽化，为了使轧辊及轧制的金属板达到一定的粗糙度，必须使轧辊表面不仅形成凹坑而且在凹坑的周围还应有凸台的存在，这种凸台就是由溶化的金属流出凹坑凝固所形成。为此，辅助气体喷射装置的气路之一设计成与光轴成一个夹角，变化范围为30°～75°，将激光作用点处的熔融金属吹向一侧。辅助气体喷射装置的另一气路与会聚激光束同轴，气流引入处在保护镜之前，从该气路喷嘴射出的气流用于阻隔激光与金属作用的粉尘及飞溅物以保护镜不被污染。激光聚焦镜除了具有一般的YAG激光加工设备中的将激光束聚焦于工件表面的作用外，另一作用是作为CCD成像的前置物镜，它与摄像装置的物镜统一构成CCD成像物镜系统，其优点是横向移动调节机构移动时不影响CCD成像的清晰度。摄像装置包括物镜、目镜和CCD摄像头，目镜用于将经物镜处理的辊表面的形貌成像于CCD像元上。整个成像系统实际上是一个显微镜装置。A路激光器内装有A路声光盒，B路激光器内装有B路声光盒。光路防护套用于光路防尘，它有三种结构。光路防护套是固定长度的金属套筒，其作用是用于光束反射镜，摄像装置与同轴照明灯之间的光路连接；光路防护套是可微调的波纹状的金属筒或塑料筒，其作用是用于A路激光器、B路激光器、光路切换装置、激光扩束镜和光束反射镜之间的光路连接；光路防护套由两段或两段以上的固定长度的金属套筒组成，其作用是用于光束反射镜与聚焦透镜之间的光路连接，其特点是防护套的长度可随横向移动调节机构的前后移动而变化。激光电源用于给激光器供电并能保证供电电流恒定，声光电源通过给声光盒发出超声波信号控制激光器发出的光脉冲。

控制柜20包括工控机21(型号为AWS-825P)、纵向伺服驱动器(型号为MSDA153A1A)、横向伺服驱动器(型号为MSDA043A1A)、冷却系统和其他继电控制电路等。图11是可控无规则分布YAG激光毛化设备控制部分方框图。工控机内AT总线上装有一块可控分布接口卡、两块电隔离双路D/A接口卡(型号为PCL-728)。主轴电机连同辊旋转时增量编码器输出反映辊旋转位置的脉冲信号，脉冲信号传给工控机21内的可控分布接口卡，经计算机处理后控制伪随机延时装置和纵向伺服驱动器。伪随机延时装置控制激光电源19。纵向伺服驱动器驱动纵向伺服电机17，经滚珠丝杠18带动机床移动架14在机床导轨22上左右移动。工控机21内的一块D/A接口卡发两路信号给激光器电源15，控制A路激光器41和B路激光器39。工控机21内的另一块D/A接口卡发一路信号给变频器，变频器驱动机床主轴电机连同辊旋转，且转速无级可调；D/A接口卡发另一路信号给位置PID调节器。激光与辊面间距自动跟踪器由工控机21、位置PID调节器、电感式非接触位移传感器(使用型号为ST-1型)、横向伺服驱动器及伺服电机、滚珠丝杠传动副等构成，它是一个闭环控制系统，工控机21设定间距大小，位移传感器检测实际间距，伺服驱动器工作在速度控制方式。工控机21通过一路RS232C与伪随机延时装置内的单板机(型号为PCM-3346F-00A2)相连，用于设定随机延时的最大、最小值。工控机21通过另一路RS232C与伪随机偏转装置中的伪随机信号发生器内的单板机(型号为PCM-3346F-00A2)相连，用于设定随机偏转频率的最大、最小值及偏转幅值的最大、最小值。冷却系统由水箱、水泵及温控器构成，它的作用是用于激光器的冷却。

伪随机延时装置示意图如图7所示。该装置内含单板机和PC/104延时接口卡。单板机(采用PC/104模块)提供了完整PC的全部功能。PC/104延时接口卡由输入接口、定时器和输出接口组成。输入接口用于输入信号的电平转换；定时器用于产生延时，其值由单板机设定；输出接口用于输出信号的电平转换和驱动。PC/104延时接口卡安装在单板机的PC/104扩展总线上。

伪随机延时装置的外部信号有三路：输入、输出和RS232C接口。输入信号和输出信号都是脉冲信号。输出信号由输入信号的上升沿触发，经延时后输出，输出信号的脉宽固定，其大小可通过RS232C接口设定。延时时间在某一范围内按伪随机信号变化，最大、最小值可通过RS232C接口设定。

图8是伪随机延时装置程序流程图。程序分主程序和中断服务程序两部分。主程序先“参数初始化”(将外存中的脉宽、最大、最小延时值等设定参数调入内存)，之后“送参数”(给定时器送控制参数)，然后等待查询到本次延时结束，之后调用伪随机函数修改延时参数，然后返回到“送参数”，如此不断循环。中断服务程序通过RS232C接口将脉宽、最大、最小延时值等设定参数送到外存和内存，之后主程序就按新的设定参数修改延时参数。

伪随机延时装置插入现有辊类表面毛化激光加工设备控制激光输出的信号之后。可参考图11--可控无规则分布YAG激光毛化设备控制部分方框图。

由于主轴转速基本恒定，当控制激光输出的信号通过伪随机延时装置再控制激光输出时，辊面上的毛化点在圆周向就会形成一维无规则分布。伪随机延时装置不能使毛化点在轴向形成一维无规则分布。

图9是矩形无规则分布毛化点示意图。其中左图为圆周向和轴向无规则分布幅值为零时的情况；右图为圆周向无规则分布幅值不为零，轴向无规则分布幅值为零时的情况。

图10是菱形无规则分布毛化点示意图。其中左图为圆周向和轴向无规则分布幅值为零时的情况；右图为圆周向无规则分布幅值不为零，轴向无规则分布幅值为零时的情况。

本发明不限制激光波长。伪随机延时装置可用于用电脉冲控制光脉冲的各类用于激光毛化的激光器，如声光控制连续YAG激光器、射频二氧化碳激光器；伪随机偏转装置可用于各类用于激光毛化的激光器，如YAG激光器、二氧化碳激光器。

Claims (3)

1.圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统，它包括带动辊类工件旋转的机床设备、沿着辊类工件轴向移动的激光加工装置，其特征在于：还包括有使激光加工装置的激光输出信号产生随机延时输出的伪随机延时装置，所述的伪随机延时装置内含单板机和PC/104延时接口卡；所述的单板机采用PC/104模块，该单板机提供完整PC的全部功能，所述的单板机通过PC/104总线与定时器相连接，单板机连接有RS232C接口；所述的PC/104延时接口卡由输入接口、定时器和输出接口组成；所述的输入接口用于输入信号的电平转换；所述的定时器用于产生延时，其延时值由单板机设定；输出接口用于输出信号的电平转换和驱动；

所述的激光加工装置包括工控机、可控分布接口卡、声光电源、声光盒，所述的伪随机延时装置的输入接口与可控分布接口卡相接，伪随机延时装置的输出接口与声光电源相连接的信号输入端相接，RS232C接口与工控机相接。

2.如权利要求1所述的圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统，其特征在于：所述的伪随机延时装置的输出和输入信号均为脉冲信号，输出信号由输入信号的上升沿触发，经延时后输出。

3.如权利要求2所述的圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统，其特征在于：输出信号的延时时间在某一时间范围内按伪随机信号变化。

Images